Датчики частоты вращения

В качестве датчиков частоты вращения в системах автоматики применяют тахогенераторы — маломощные электрические машины постоянного и переменного тока. Для преобразования частоты вращения электродвигателей в напряжение применяют тахометрические мосты.

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока в зависимости от способа возбуждения выполняют двух типов: магнитоэлектрические (возбуждаемые от постоянных магнитов) и электромагнитные (возбуждаемые от специальной обмотки) (рис. 1 а, б).

Напряжение на выходе тахогенератора при постоянном потоке возбуждения U вых = Е — IR я = Се ω — IR я

где Се = ( U я — I я R я)/ ω — постоянная машины, определяется из паспортных данных.

На холостом ходу ( I =0) напряжение U вых = Е = Се ω . Следовательно, статическая характеристика тахогенератора U вых = f ( ω) при холостом ходе линейна, так как Се = const (прямая I, рис. 1, в).

Рис. 1. Датчики частоты вращения (тахометрические генераторы постоянного тока): а) с возбуждением от постоянных магнитов, б) с электромагнитным возбуждением, в) статическая характеристика

При нагрузке статическая характеристика становится нелинейной (кривая 2). изменяется ее наклон, что является следствием реакции якоря и падения напряжения в обмотке якоря тахогенератора. В реальных тахогенераторах возникает падение напряжения на щетках, что приводит к появлению юны нечувствительности (кривая 3).

Для уменьшения искажения статических характеристик тахогенераторов используют при небольших нагрузках ( I н = 0,01 — 0,02 А). Ток в цепи якоря I я = Е/( R я + R н), а выходное напряжение U вых = Е — IR я = Се ω — IR я.

Тахогенераторы постоянного тока широко применяются в автоматических системах регулирования электроприводов в качестве датчиков частоты вращения. Их достоинства — малая инерционности высокая точность, малые габариты и масса, а для магнитоэлектрических тахогенераторов еще и отсутствие источника питания. Недостаток — наличие коллектора со щетками.

Тахогенераторы переменного тока

Синхронные тахогенераторы — однофазная синхронная машина с ротором в виде постоянного магнита (рис. 2, а), У синхронных тахогенераторов с изменением угловой скорости вместе с амплитудой изменяется и частота выходного напряжения. Статические характеристики нелинейны. В динамической отношении синхронные тахогенераторы являются безинерционными элементами.

Асинхронный тахогенератор — это двухфазная асинхронная машина с полый немагнитным ротором (рис. 2, б). На статоре асинхронного тахогенератора размещаются две сдвинутые на 90 обмотки (возбуждения ОВ и генератора ОГ). Обмотка ОВ подключается к источнику переменного тока.

Рис. 2. Тахомерические генераторы переменного тока: а — синхронный, б — асинхронный

В обмотке OГ, являющейся выходной, при вращении ротора наводятся э.д.с. трансформации и вращения. Под действием э.д.с. вращения на выходе тахогенератора возникает напряжение U вых.

Статическая характеристика асинхронного тахогенератора также нелинейна. При изменении вращения ротора фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

Асинхронные тахогенераторы используют как датчики угловой скорости, частоты вращения и ускорений. В последнем случае обмотка возбуждения асинхронного тахогенератора подключается к источнику постоянного тока.

Достоинства асинхронных тахогенераторов — надежность, малая инерционность. Недостатки — наличие на выходе остаточной э.д.с. при неподвижном роторе, относительно большие габариты.

Тахометрические мосты постоянного и переменного тока применяют в системах автоматики для создания обратной связи но частоте вращения электрических двигателей. Это позволяет упростить систему, так как отпадает необходимость в дополнительной электрической машине — тахогенераторе. При этом уменьшаются статические и динамические нагрузки на исполнительный двигатель.

Тахометрический мост постоянного тока представляет собой специальную мостовую схему (рис. 3, а), в одно из плеч которой включен якорь двигателя R я, а в другие — резисторы R1 , R2 , R п. К диагонали а b моста подводится напряжение сети U, питающее якорь двигателя, а с диагонали cd снимается напряжение U вых пропорциональное угловой скорости ω.

Рис. 3. Тахометрический мост постоянного тока (а) и бесконтактное измерительное устройство частоты вращения асинхронного двигателя (б)

Если ток в выходной цепи отсутствует, то

Решая совместную систему уравнений, получим

Напряжение на выходе тахометрического моста

где Kтм — коэффициент передачи тахометрического моста.

Погрешность тахометрического моста составляет ±(2 — 5)%. В динамическом отношении тахометрические мосты постоянного тока являются безинерционным звеном.

Для контроля частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя применяют бесконтактное измерительное устройство (рис. 3, б), содержащее измерительный трансформатор тока ТА и напряжения TV.

Датчики частоты вращения двигателя

Датчики частоты вращения двигателя используются в системах управления двигателем для:

• измерения числа оборотов двигателя
• определения положения коленчатого вала (положение поршня двигателя)

Число оборотов рассчитывается по интервалу между сигналами датчика скорости вращения.

Индуктивные датчики скорости вращения

Рис. Индуктивный датчик скорости вращения (конструкция):

1. Постоянный магнит
2. Корпус датчика
3. Корпус двигателя
4. Полюсный контактный штифт
5. Обмотка
6. Воздушный зазор
7. Зубчатое колесо с точкой отсчета

Конструкция и принцип действия Датчик монтируется прямо напротив ферромагнитного зубчатого колеса (поз. 7) с определенным воздушным зазором. Он имеет сердечник из магнитомягкой стали (полюсный контактный штифт, поз. 4) с обмоткой (5). Полюсный контактный штифт соединен с постоянным магнитом (1). Магнитное поле распространяется через полюсный контактный штифт, проходя в зубчатое колесо. Магнитный поток, проходящий через катушку, зависит от того, попадает ли расположение датчика напротив впадины или зуба колеса. Зубец соединяет в пучок магнитный поток рассеяния, исходящий от магнита. Через катушку происходит усиление сетевого потока. Впадина, наоборот, ослабляет магнитный поток. Эти изменения магнитного потока при вращении зубчатого колеса индуцируют в катушке синусоидальное выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения и числу оборотов двигателя. Амплитуда переменного напряжения интенсивно возрастает с увеличением числа оборотов (несколько мВ… > 100 В). Достаточная амплитуда присутствует, начиная с минимального числа оборотов от 30 в минуту.

Рис. Сигнал индуктивного датчика скорости вращения двигателя:

Активные датчики скорости вращения

Активные датчики скорости вращения работают по магнитостатическому принципу. Амплитуда выходного сигнала не зависит от числа оборотов. Благодаря этому можно измерять скорость вращения и при очень низком числе оборотов (квазистатическое определение числа оборотов).

Дифференциальный датчик Холла

На проводящей ток пластинке, по которой вертикально проходит магнитная индукция В, поперечно к направлению тока можно снимать напряжение UH (напряжение Холла), пропорциональное направлению тока.

Рис. Принцип работы дифференциального датчика Холла:

• а Расположение датчика
• b Сигнал датчика Холла
• большая амплитуда при маленьком воздушном зазоре
• маленькая амплитуда при большом воздушном зазоре
• с Выходной сигнал

1. Магнит
2. Датчик Холла 1
3. Датчик Холла 2
4. Зубчатое колесо

В дифференциальном датчике Холла магнитное поле вырабатывается постоянным магнитом (поз. 1). Между магнитом и импульсным кольцом (4) находятся два сенсорных элемента Холла (2 и 3). Магнитный поток, который проходит сквозь них, зависит от того, находится ли датчик скорости вращения напротив зубца или паза. Благодаря созданию разности сигналов от обоих датчиков достигается снижение магнитных сигналов возмущения и улучшенное соотношение сигнала/ шума. Боковые поверхности сигнала датчика могут обрабатываться без оцифровывания непосредственно в блоке управления.

Вместо ферромагнитного зубчатого колеса используются также многополюсные колеса. Здесь на немагнитном металлическом носителе установлен намагничивающийся пластик, который попеременно намагничивается. Эти северные и южные полюсы принимают на себя функцию зубцов колеса.

AMR-датчики

Рис. Принцип определения числа оборотов с помощью датчика AMP:

• а Размещение
• в различные моменты времени
• b Сигнал датчика AMP
• с Выходной сигнал

1. Импульсное (активное) колесо
2. Сенсорный элемент
3. Магнит

Электрическое сопротивление магнито-резистивного материала (AMP, анизотропный магниторезистивный) является анизотропным. Это означает, что оно зависит от направления магнитного поля, которое на него воздействует. Это свойство используется в AMP-датчике. Датчик находится между магнитом и импульсным кольцом. Линии поля изменяют свое направление, когда вращается импульсное (активное) колесо. В результате формируется синусоидальное напряжение, которое усиливается в схеме обработки данных и преобразуется в сигнал прямоугольной формы.

GMR-датчики

Усовершенствование активных датчиков скорости вращения отражено в использовании технологии GMR (ГМР) (Giant Magneto-Resistance). По причине высокой чувствительности по сравнению с датчиками AMP здесь возможны большие воздушные зазоры, за счет чего предполагаются использования в трудных сферах применения. Более высокая чувствительность производит меньше шумов фронта сигнала.

В ГМР-датчиках возможны также все двухпроводные порты, используемые ранее в датчиках скорости вращения Холла.

Датчики частоты вращения

Содержание

Датчики частоты вращения служат для определения числа оборотов вала двигателя за единицу времени и применяются в регулируемых приводных системах. По принципу действия датчики подразделяются на механические, гидравлические и электрические (тахогенераторы). Первые два типа сегодня применяются крайне редко и в основном используются на старых судах.

Отношение выходного напряжения к частоте вращения ротора называют «чувствительностью тахогенератора» или «коэффициентом преобразования» или «крутизной тахогенератора» и обычно указывается в технической спецификации тахогенератора в милливольтах на оборот в минуту. По этому параметру и выходному напряжению можно определить частоту вращения ротора по формуле:

где ω – частота вращения ротора в оборотах в минуту, U_Вых – выходное напряжение тахогенератора, k – коэффициент преобразования.

Требования, предъявляемые к тахогенераторам:

1. Линейность выходной характеристики.
2. Большая крутизна выходной характеристики (чувствительность, при небольшом напряжении частоты вращения выходное напряжение изменяется очень сильно).
3. Малая амплитудная погрешность.
4. Малая фазовая погрешность (для тахогенераторов переменного тока).
5. Минимальная пульсация выходного напряжения (для тахогенераторов постоянного тока).
6. Малый момент инерции ротора.
7. Минимальная масса и габариты.
8. Выходное напряжение должно принимать одинаковые абсолютные значения при вращении вала тахогенератора в разных направлениях (по или против часовой стрелке) на одинаковых частотах, т.е. быть симметричными.
9. Напряжение на выходе тахогенератора при ω=0 должно принимать минимальное значение. Это напряжение принято называть остаточным.
10. Пульсации выходного напряжения должны быть минимальными и не создавать помех, вызываемых электромагнитными процессами во время его работы.
11. Выходная мощность должна соответствовать подключаемой к нему нагрузке (прибора, устройства, схемы и т. п.), или быть достаточной для нормальной работы.

Механические датчики частоты вращения

Механический датчик центробежного типа (рисунок 2.64) состоит из вращающихся грузов 4, укрепленных на траверсе 6, приводимой во вращение от вала машины. На вращающиеся грузы действует центробежная сила F_цб, которая через рычаги 5 и муфту 3 сжимает пружину 2. Выходным сигналом датчика является величина перемещения муфты. Винтом 1 регулируется степень предварительного сжатия пружины 2 и зависимость закона перемещения муфты от частоты вращения.

В точке касания рычага 5 и муфты 3 действуют поддерживающая P и восстанавливающая V силы. Поддерживающая сила Р прямо пропорциональна центробежной F_цб и зависит от величины z перемещения муфты

Графики сил V и Р приведены на рисунке 2.65.

• невысокая точность из-за трения между элементами;
• необходимость дополнительного преобразователя перемещения для подачи сигнала в систему управления;
• чувствительность к вибрациям и крену судна;
• нелинейная выходная характеристика.

Гидравлические датчики частоты вращения

Гидравлический датчик частоты вращения приведён на рисунке 2.66. Масляный насос 1 приводится во вращение машиной с частотой ω. В напорной магистрали, содержащей цилиндр 3 и дроссель 2, создаётся давление, которое перемещает поршень цилиндра. Это перемещение является выходным сигналом датчика.

Уровень давления р в цилиндре пропорционален частоте вращения насоса. Коэффициент пропорциональности между ω и p регулируется степенью открытия дросселя 3 , через который в ванну 4 возвращается масло.

Тахогенераторы постоянного тока

Принцип действие тахогенераторы постоянного тока аналогично работе генератора. Тахогенератор на рисунке 2.67 а представляет собой маломощный генератор постоянного тока, на обмотку возбуждения ОВ которого подаётся постоянное напряжение U_ов , а с обмотки якоря, приводимой во вращение машиной, снимается напряжение U_Вых величиной

где С – постоянный коэффициент; В – индукция магнитного поля ОВ, пропорциональная U_ов.

• меньшие габаритные размеры и масса (в 2-3 раза) при большей выходной мощности, чем у асинхронных;
• отсутствие фазовой погрешности;
• возможно возбуждение постоянными магнитами, что позволяет обойтись без источника питания для цепи возбуждения.

• сложность конструкции;
• высокая стоимость;
• наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, что приводит к снижению надежности тахогенератора и к нестабильности выходной характеристики;
• наличие зоны нечувствительности;
• пульсации выходного напряжения;
• не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;
• напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи;
• помехи радиоприему, для подавления которых в некоторых случаях приходится применять специальные меры.

Асинхронный тахогенератор – двухфазный асинхронный двигатель (микроэлектрическая машина), представлена на рисунке 2.68 а.

Полый ротор выполняется из высокоомных материалов (латунь, константан). За счет применения этих материалов достигается высокая температурная стабильность. Обмотка возбуждения создает пульсирующий магнитный поток, направленный по продленной оси машины (продленная ось машины совпадает с осью полюсов обмоток на статоре сердечника). При неподвижном роторе магнитный поток возбуждения индуцирует в роторе трансформаторную ЭДС. Сам полый ротор можно считать состоящим из отдельных элементов, проводников, которые замкнуты на торцах. Так как они замкнуты под действием трансформаторной ЭДС, протекают токи, направление которых совпадает с поперечной осью машины.

Эти токи создают магнитный поток, направленный навстречу потоку возбуждения. В результате результирующий поток направлен по продольной оси. В выходной обмотке (генераторной) ЭДС равно 0 (при неподвижном роторе), т. к. магнитный поток скользит по обмотке. При вращении ротора элементарные проводники ротора пересекают магнитные силовые линии потока возбуждения. Напряжение индуцируется в проводниках ЭДС – вращения. Под действием этой ЭДС в элементарном проводнике будут течь токи, создающие магнитное поле, направленное по поперечной оси. Этот поток пропорционален частоте вращения. Поток по поперечной оси сцепляется с выходной обмоткой и в ней индуцируется выходная ЭДС, пропорциональная скорости вращения. Выходное напряжение будет зависеть от сопротивления нагрузки:

Линейность характеристики зависит от полного сопротивления нагрузки. При высоких скоростях характеристика нелинейная. Для уменьшения скоростных погрешностей ТГ выбирают с такой синхронной скоростью, при которой значение относительной частоты вращения ротора составляет s=0,3.

• большая надежность;
• отсутствие скользящих контактов;
• малоинерционность, обусловленная малым моментом инерции ротора;
• наличие малого момента сопротивления (трения в подшипниках и тормозящего электромагнитного) вследствие отсутствия радиальных и аксиальных сил, действующих на ротор;
• устойчивость к вибрациям.
• неплохая стабильность характеристик.

• нелинейность выходной характеристики;
• наличие фазовой погрешности;
• наличие нулевого (остаточного) напряжения;
• малая выходная мощность, что приводит к необходимости увеличения габаритных размеров (асинхронный тахогенератор в 2. 4 раза больше тахогенератора постоянного тока с такой же
• выходной мощностью);
• низкий cosφ;
• напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи;
• не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;
• большие масса–габаритные показатели.

Синхронные тахогенераторы переменного тока

Представляют собой бесколлекторные синхронные машины с ротором, подмагниченным постоянным магнитом. На статоре расположены одна или несколько обмоток (см. рисунок 2.68 б). Такой тахогенератор преобразует скорость вращения ротора в переменное напряжение, амплитуда и частота которого прямо пропорциональны скорости вращения ротора.

Этот тип тахогенератора можно охарактеризовать переменной частотой, это представляет затруднение для применения в схемах стандартного предназначения, переменного тока. Он отличается нечувствительностью к изменению направления вращения вала двигателя. В синхронных тахогенераторах используется большое количество пар полюсов. По этой причине, синхронные тахогенераторы применяются для электроприводов с небольшой скоростью вращения вала. Часто ротор выполняют в виде многополюсного постоянного магнита, поэтому на 1 оборот ротора генерируется несколько периодов выходного сигнала.

Измерения скорости вращения допустимо двумя способами – частотным и амплитудным.

Частотный способ определения скорости вращения

Частотный метод для СТГ является самым точным, т. к. на частоту выходного сигнала не оказывают влияния такие факторы как, изменения температуры, величина зазора между статором и ротором, уменьшение магнитного потока, вызванное старением магнитов и т.д.

Но, к сожалению, при определении скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала U_Вых путём накопления импульсов, что не даёт возможности получать мгновенно информацию об изменениях скорости.

После определения частоты f_Вых выходного сигнала U_Вых , скорость вращения ротора вычисляют по формуле:

где f_Вых – частота сигнала U_Вых на выходе тахогенератора, Гц; p – число пар полюсов ротора тахогенератора.

Для более точного определения частоты вращения ротора необходимо большее количество времени, в течение которого частота может изменяться. А изменение частоты во время накопления импульсов для её определения вносит погрешность в измерения. Это плохо сказывается на динамичности системы управления в целом, т.к. её схема управления, в таких случаях, более медленно компенсирует уменьшение или увеличение скорости вращения. Чтобы как-то уменьшить вышеуказанный недостаток, используют синхронные тахогенераторы с большим количеством полюсов. Это даёт возможность сократить время для определения выходной частоты, что в свою очередь позволяет сократить время реакции схемы управления.

Частоту выходного сигнала можно определять по следующей формуле:

где N – число накопленных импульсов; Т – длина каждого периода.

Амплитудный способ определения скорости вращения

Амплитудный способ выгодно отличается от частотного простотой схемы управления, но не очень точен из-за: температурных колебаний; зазоров между статором и ротором; старения магнитов ротора, влияющее на величину магнитного потока; частотной модуляции, оказывающей воздействие на реактивные элементы электрической цепи. Как и в других типах тахогенераторов, при увеличении скорости вращения ротора возрастает и генерируемая в обмотке статора ЭДС. Для «считывания» значений этой ЭДС обычно используют выпрямитель (одно- или двухполупериодный) и НЧ фильтр, назначение которого сглаживать пульсации.

• отсутствие посторонний источник питания для обмотки возбуждения;
• возможность точного определения частоты вращения частотным способом;
• остальные преимущества такие же, как и у асинхронного тахогенератора.

• напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи;
• не симметрия воздушного зазора, она способствует возникновению низкочастотных пульсаций;
• магнитный поток сопровождается зубцовыми пульсациями;
• параметры машины зависят от температурных изменений;
• определение скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала;
• не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;
• невозможность определения направления вращения.

Условия и меры, применяемые при эксплуатации синхронных тахогенераторов для компенсации погрешностей аналогичны мерам, используемым для тахогенераторов постоянного тока. Пульсации выпрямленного напряжения выравниваются за счет изготовления конструкции ротора с полюсами специального профиля, благодаря этому получается необходимая ЭДС. Снижение зубцовых пульсаций происходит за счет использования сглаживающего фильтра.

С развитием электроники тахогенераторы все чаще заменяются на импульсные датчики, например, схемы с оптронами открытого типа, формирующие импульсы при отражении пучка света от контрастных меток на валу или на прерывания луча света обтюратором – датчики угла поворота (энкодеры), либо импульсные индукционные датчики, датчики Холла и прочие подобные импульсные электронные датчики.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики — Авдеев Б.А. [2018]